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Radiologie 30. März 2006

Auf Du und Du mit dem Gehirn

"Mit der funktionellen MRT (fMRT) werden ohne Kontrastmittel Durchblutungs-Änderungen in aktiven Hirnregionen sichtbar gemacht; man misst also keine Nervenzellaktivität, sondern eine Mehrdurchblutung", skizziert Prof. Dr. Roland Beisteiner, Wiener Universitätsklinik für Neurologie, die Aufgabenstellung eines faszinierenden Arbeitsgebietes. "In den Bereichen neuronaler Aktivität wird dabei mehr oxygeniertes Hämoglobin zugeführt als vom Gehirn abgebaut werden kann."
Der Anstieg des oxygenierten Hämoglobins in den venösen Gefäßen führt zu einer verlangsamten Dephasierung der Protonenspins und somit zu einer Messsignal-Erhöhung. Hingegen bewirkt deoxygeniertes Hb eine lokale Verminderung des Signals. "Diese Zusammenhänge werden als BOLD (Blood oxygen level dependent)-Effekt bezeichnet", erklärt Beisteiner im Gespräch mit der ÄRZTE WOCHE.

Wie hat sich die fMRT entwickelt?

Beisteiner: Während in der Anfangszeit der fMRT die FLASH-Technik zur Anwendung kam, die auch für schlechter lokalisierte Infloweffekte (Flussgeschwindigkeits-Änderungen) sensitiv war, wird heute zumeist mit dem BOLD-Effekt gearbeitet. Das Echoplanar-Imaging-Verfahren (EPI), bei dem viele Schichten im Bereich des gesamten Gehirns in einem vernünftigen Zeitraum dargestellt werden können, ist primär BOLD-orientiert.
Ein mögliches klinisches Problem dieser Mehrdurchblutungs-Abhängigkeit des Signals ergibt sich dann, wenn die Durchblutung - etwa bei arteriovenösen Malformationen - bereits maximal ist. Hier können bei einer Nervenzellaktivierung die Gefäße nicht noch weiter gestellt werden. In diesem Fall erhalten wir also mit der fMRT ein falsch negatives Ergebnis. Mittels elektrophysiologischer Methoden wie der Magnetoenzephalographie (MEG) würde man hingegen sehen, dass lokale Nervenzellaktivität besteht.

In welchen Bereichen der klinischen Diagnostik wird die fMRT heute bereits routinemäßig eingesetzt, und welche Entwicklungen erwarten Sie für die Zukunft?

Beisteiner: Generell haben wir in den letzten zehn Jahren dank der fMRT viel über die normale Funktion des Gehirns gelernt. Insgesamt gesehen, weiß man aber immer noch recht wenig darüber, wie das Zusammenspiel von Hirnarealen, insbesondere bei komplexen Aufgabenstellungen genau aussieht. Insofern ist weitere Grundlagenforschung in diesem Bereich sehr wichtig. Mit Hilfe der fMRT kann vor einer Operation die Lokalisation von essenziellen Gehirnarealen bestimmt werden. Dadurch weiß der Chirurg, wo die Bereiche liegen, die keinesfalls zerstört werden dürfen. Zu den essenziellen und auch klinisch wichtigen Arealen zählen neben dem Motorcortex (Gyrus praecentralis) vor allem das Broca- und Wernicke-Areal und die für das Gedächtnis wichtigen medialen Temporallappen-Areale. Aufgrund der intrazerebralen Pathologien ist die genaue Lokalisation dieser kritischen Hirnareale bei jedem Patienten anders.
Nach derzeitigem Stand der Literatur ermöglicht die funktionelle MRT den Ersatz invasiver Diagnoseverfahren, zum Beispiel des Wada-Tests, eine bessere präoperative Planung sowie ein gezielteres Vorgehen bei intraoperativen kortikalen Stimulationen. Dadurch kann die Operationssicherheit und -dauer reduziert werden.
Zudem steht uns mit der fMRT zum ersten Mal eine dreidimensionale Bildgebungsmethode zur Verfügung, die man beliebig oft einsetzen kann, etwa bei der Beobachtung neuroplastischer Funktionsänderungen im Rahmen der Neurorehabilitation. Zu betonen ist auch, dass kein anderes Verfahren eine so hohe räumliche Auflösung besitzt.
Im Unterschied zur fMRT sind elektrophysiologische Methoden nicht in der Lage, komplexe Aktivierungsformen des Gehirns eindeutig darzustellen, hier muss man mit mathematischen Modellen arbeiten, welche mehrere Lösungen zulassen. Andererseits hat das MEG eine wesentlich höhere Zeitauflösung als die fMRT und ist daher bei der Beobachtung von schnellen Aktivitätsänderungen überlegen. Routinemäßig wird die fMRT derzeit vor allem für die prächirurgische Lokalisation essenzieller motorischer Areale eingesetzt sowie für die Lokalisation von Sprach- und Gedächtnisfunktionen. Wegen der großen Artefakt-Problematik sollte die Untersuchung aber spezialisierten interdisziplinären Zentren im universitären Bereich vorbehalten sein.
Neuere Entwicklungen versuchen auch den epileptogenen Fokus mittels fMRT zu identifizieren. Zum Teil kommen dabei EEG, fMRT und MEG gemeinsam zum Einsatz. Besonders interessant ist meiner Ansicht nach die Spike-getriggerte fMRT (simultane EEG- und fMRT-Untersuchungen).

Gibt es noch weitere Optionen?

Beisteiner: Ebenfalls in Entwicklung befindet sich die Darstellung neuroplastischer Veränderungen im Rahmen der Rehabilitation. Man kann dadurch zum Beispiel herausfinden, welche Behandlungsmethode bei der Rehabilitation nach einem Schlaganfall die beste ist. Auch Therapieeffekte von Medikamenten werden im Bereich der Neurologie und Psychiatrie untersucht.
Ferner existieren Hinweise, dass bereits sehr früh verschiedene Demenzformen unterschieden werden können. Wenn sich diese kürzlich publizierten Ergebnisse bestätigen sollten, könnten Hochrisiko-Patienten gezielt frühzeitig behandelt werden. Die fMRT erlaubt auch Verbesserungen bei der Diagnose und dem Verständnis von Bewegungsstörungen (Parkinson-Erkrankung, Dystonie) und ermöglicht fundiertere Beurteilungen des therapeutischen Ansprechens.

Welche Aufgaben muss der Patient oder die Patientin durchführen, wenn es um die Lokalisation des Motorcortex geht?

Beisteiner: Typischerweise vollführt der Patient 20 Sekunden lang eine Faustschlussbewegung, gefolgt von einer gleich langen Ruhephase. Dieser Ablauf wird mehrfach wiederholt. Mittels funktioneller MRT vergleicht man die Mehrdurchblutung bei der Bewegung im Unterschied zur Ruhe.

Wie werden die Sprachzentren lokalisiert?

Beisteiner: Die Untersuchung der globalen Sprachkompetenz ist sehr anspruchsvoll. Wir verwenden laut auszusprechende Satzkonstruktionen, welche semantische und syntaktische Entscheidungsaufgaben beinhalten. Wenn Sie einen korrekten Satz laut lesen, kommt es zu großflächigen, multiplen Hirnaktivitäten. Aktiviert werden primäre und sekundäre motorische, visuelle und akustische Areale neben integrativen Bereichen. In der Literatur wurden oft nur Einzelwortstimulationen durchgeführt: "Finden Sie ein Tier, dessen Anfangsbuchstaben A lautet und sprechen Sie den Namen nicht laut aus." Hiermit wird lediglich ein Teil unserer Sprachkompetenz abgedeckt.

Welche Limitationen sind bei einer fMRT-Untersuchung zu beachten?

Beisteiner: Ich würde nicht von Limitationen sprechen, eher von Problemen. Zu den Hauptproblemen zählen auf jeden Fall Kopfbewegungen, ein zu niedriges Signal-Rausch-Verhältnis und anatomische Verzerrungen durch die schnellen Mess-Sequenzen. An den Übergängen etwa von Hirngewebe zu luftgefüllten Hohlräumen wird das Magnetfeld inhomogen; dadurch kommt es in der MR zu Verformungen des Gehirns, was die Ortung der Aktivität erschwert.
Zu denken ist auch an die mangelnde Kooperationsfähigkeit etwa von Kindern oder von Patienten, die nur schwer die Hand bewegen können. Auch die Messdauer stellt ein Problem dar.
Ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis erfordert eine lange Messdauer, andererseits wird diese durch zunehmende Bewegungsartefakte limitiert. Wir haben uns daher in den letzten Jahren sehr bemüht, die klinische Methodik zu optimieren.

Wie sehen diese Verbesserungen aus?

Beisteiner: Um das Problem der Kopfbewegungen und der damit verbundenen Artefakte zu verringern, haben wir einen Gipshelm entwickelt, der den Kopf eng umschließt und zu einer gleichmäßigen Druckverteilung führt. Dadurch können die Patienten länger ruhig liegen. Die Messzeit kann verlängert und die Signalqualität wesentlich verbessert werden. Bewegungsartefakte werden drastisch reduziert.
Ein weiteres Problem ist die
räumliche Auflösung. Weit verbreitete Auswerteverfahren verwenden räumliche Signalglättungs-Techniken. Dadurch gehen aber Informationen über die genaue Lokalisation kleiner, hoch aktiver Areale verloren. Es besteht daher die Gefahr von Fehllokalisationen. Wir be-mühen uns daher, die ursprüngliche räumliche Auflösung zu erhalten. Ferner berücksichtigt die von uns publizierte Auswertetechnik sowohl die Signalamplitude als auch die Signalreliabilität und kann damit auch schwach aktive, aber zuverlässig aktivierte Hirnareale detektieren.
Ein großer Vorteil im Hinblick auf die Signalqualität ist auch der Einsatz eines Hochfeldsystems mit einer Feldstärke von drei Tesla. Für essenziell halte ich es auch, Verzerrungen mittels einer individuellen neuroanatomischen Analyse auf den EPI-Bildern auszugleichen. Wird lediglich Standardsoftware mit einfachen Überlagerungs-Algorithmen verwendet, kann es zu groben Irrtümern bei der Lokalisation kommen.

Was versteht man unter Single-Trial- beziehungsweise Event-Related-fMRT?

Beisteiner: Bei dieser Methode wird die Durchblutungsantwort auf eine einzige kurze Stimulation aufgezeichnet. Man mittelt dann die Signale mehrerer Einzelstimulationen. Für die klinische Anwendung verwenden wir aber das "blocked design" mit länger dauernden Stimulationen, weil es im Hinblick auf das Signal-Rausch-Verhältnis eine viel bessere Qualität besitzt.

Gibt es noch einen Punkt, der Ihnen besonders am Herzen liegt?

Beisteiner: Ich möchte betonen, dass bei der funktionellen MRT für das Erzielen guter Ergebnisse eine personalintensive, interdisziplinäre Zusammenarbeit von Neurologen, Radiologen und Technikern notwendig ist. Nur gemeinsam können die beschriebenen Probleme analysiert und gelöst werden und ich bin froh, dass die bei uns bestehende Kooperation zwischen Neurologie und Radiodiagnostik entsprechend gut funktioniert.

Dr. Peter Wallner, Ärzte Woche 2/2001

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